കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ രസതന്ത്രത്തിൽ സൌന്ദര്യം രചിക്കുമ്പോൾ

ലോകമെമ്പാടുമുള്ള കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രജ്ഞരെ ആഹ്ലാദത്തിലാക്കി, 2013 രസതന്ത്ര നോബെൽ വിഖ്യാതരായ മൂന്ന് കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രജ്ഞർക്കു ലഭിച്ചു. ഹർവാർഡ് സർവ്വകലാശാലാ പ്രൊഫ. മാർട്ടിൻ കാർപ്ലസ്സ് (Martin Karplus) , സ്റ്റാൻഫൊർഡ് സർവ്വകലാശാലാ പ്രൊഫ. മൈക്കൽ ലെവിറ്റ് (Michael Levitt) , സതേൺ  കാലിഫോർണ്ണിയാ സർവ്വകലാശാലാ പ്രൊഫ. അരീഷ് വാർഷൽ (Ariesh Warshel) എന്നിവരാണവർ.  ഒരുപക്ഷെ, രസതന്ത്രത്തിന്റെ പലതരം ശാഖകളെക്കുറിച്ചു അറിവുള്ളവരിൽ പോലും ചോദ്യമുളവാക്കുന്ന ഒന്നാണു ഇപ്രാവശ്യം നോബെൽ സമ്മാനിതമായ ശാഖ- കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രം (Computational Chemistry). രസതന്ത്രജ്ഞരല്ലാത്ത ആൾക്കാർ ഇത് കേൾക്കുമ്പോൾ ഒന്നു നെറ്റിചുളിക്കും. കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രമോ? കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്കു എന്താണു രസതന്ത്രത്തിൽ കാര്യം? കാര്യമുണ്ട്. അതിലേക്ക് വരാം. അതിനുമുൻപേ നിങ്ങളൊന്ന് ശ്രദ്ധിച്ചു നോക്കൂ. നമ്മുടെ ചുറ്റുപാടും  എന്തൊക്കെ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളാണു നടക്കുന്നത്? എണ്ണിതിട്ടപ്പെടുത്താനാവാത്തവ. നിങ്ങളിതു വായിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുമ്പോൾത്തന്നെ, നിങ്ങളുടെ ശരീരത്തിൽ,നിങ്ങളുടെ ചുറ്റുപാടുമുള്ള നിരവധി സൂക്ഷമജീവികളിൽ, തൊട്ടടുത്ത് കാണുന്ന ഫാക്ടറിയിൽ, ആ റോഡിലൂടെ പോകുന്ന വാഹനങ്ങളിൽ അങ്ങനെയങ്ങനെ എന്തെല്ലാം തരം രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ! ഈ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെയെല്ലാം ലളിതമായി വിശദീകരിക്കുന്നതിനുവേണ്ടി രസതന്ത്രത്തിനെ പൊതുവെ മൂന്ന് ശാഖകളായി തിരിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഓർഗാനിക് രസതന്ത്രം, ഇൻഓർഗാനിക് രസതന്ത്രം,ഫിസിക്കൽ രസതന്ത്രം എന്നിങ്ങനെ.

ചില ചരിത്രങ്ങൾ; സൂചകങ്ങൾ

കുറച്ചുകൂടി സൂക്ഷമമായി പരിശോധിച്ചാൽ ഈ ശാഖകളെ പല ഉപശാഖകളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നതായി കാണാം. പോളിമർ രസതന്ത്രം (Polymer Chemistry), ബയോ രസതന്ത്രം (Bio Chemistry), ബയോ ഇനൊർഗാനിക് രസതന്ത്രം (Bio Inorganic Chemistry), ക്വാണ്ടം രസതന്ത്രം (Quantum Chemistry), അനലറ്റിക്കൽ രസതന്ത്രം (Analytical Chemistry) ,ഹൈഡ്രോ രസതന്ത്രം (Hydro Chemistry), അങ്ങനെയങ്ങനെ. കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രത്തിനെക്കുറിച്ച് മനസ്സിലാക്കണമെങ്കിൽ ഇവയിലൊരു ഉപശാഖയെ നമ്മൾ  വിശദമായി പരിചയപ്പെടണം- ക്വാണ്ടം രസതന്ത്രം (Quantum Chemistry). ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ തുടക്കക്കാലത്ത് ന്യൂട്ടന്റെ ചലനനിയമങ്ങളുടെ പൊളിച്ചെഴുത്തിൽ രൂപം കൊണ്ട ഭൌതികശാസ്ത്രശാഖയാണു ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് (Quantum Mechanics). പിന്നീടിങ്ങോട്ട് പല ശാസ്ത്രശാഖകളും അവരവരുടെ  വളർച്ചയ്ക്ക് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിന്റെ ആശയങ്ങൾ കടം കൊണ്ടു. അതിന്റെ ഉപയോഗക്രമങ്ങൾ പല ശാസ്ത്രശാഖയിലും പലതരത്തിലായിരുന്നു. ആ ചിന്താധാരകൾ അന്നുവരെ നിലനിന്നിരുന്ന പലതരം ശാസ്ത്രീയ വിശ്വാസങ്ങളെയും കടപുഴക്കിയെറിയുകയുണ്ടായി. അതുവരെ നിലനിന്നിരുന്ന വിശ്വാസം ന്യൂട്ടോണിയൻ ഭൌതിക നിയമങ്ങൾ (അവ ക്ലാസിക്കൽ മെക്കാനിക്സ് നിയമങ്ങൾ (Classical Mechanics) എന്നറിയപ്പെട്ടു) എല്ലാത്തരം പ്രതിഭാസങ്ങളെയും വിശദീകരിക്കുവാൻ പര്യാപ്തമാണു എന്നായിരുന്നു. എന്നാൽ അറ്റോമിക തലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളുടെ സ്വഭാവം വിശദീകരിക്കുന്നതിൽ ക്ലാസിക്കൽ മെക്കാനിക്സ് നിയമങ്ങൾ പരാജയപ്പെട്ടു.  അതിനെത്തുടർന്ന് എർവിൻ ഷ്രോഡിംഗർ (Erwin Schrodinger), വെർണർ ഹെയ്സൻബെർഗ് (Werner Heisenberg), ലൂയി ഡിബ്രൊയെ (Louis de Broglie), നീത്സ് ബോർ (Niels Bohr), ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റീൻ (Albert Einstein), മാക്സ് പ്ലാങ്ക് (Max Planck), പി.എ.എം ഡിറാക് (P.A.M.Dirac) മുതലായ പ്രതിഭാശാലികളായ ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാർ വിവിധതരം ഗണിതശാസ്ത്രപരമായ വിശകലനങ്ങളോടെ അവയൊക്കെ വിശദീകരിച്ചു. എങ്ങനെ രസതന്ത്രത്തിൽ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിനെ ഉപയോഗിക്കാമെന്നുള്ള ചിന്തയിൽ നിന്നുമാണു ക്വാണ്ടം രസതന്ത്രത്തിന്റെ പിറവി.

അറ്റോമിക തലത്തിൽ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന വസ്തുക്കൾക്ക് ദ്വൈതസ്വഭാവം (Wave-Particle Duality) (പദാർത്ഥസ്വഭാവവും, തരംഗസ്വഭാവവും) ഉണ്ടെന്ന് ലൂയി ഡിബ്രൊയെ(Louis de Broglie) കണ്ടെത്തുന്നതോടെയാണു ശരിക്കും ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിന്റെ സിദ്ധാന്തങ്ങളും, അവയുടെ മറ്റ് രൂപീകരണങ്ങളും തുടങ്ങുന്നത്. ദ്വൈതസ്വഭാവ സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് അറ്റോമികതലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കൾക്കു പദാർത്ഥസ്വഭാവത്തോടൊപ്പം തന്നെ തരംഗസ്വഭാവവും ഉണ്ട്. എന്നാൽ ഇതിന്റെ സ്ഥാനവും, പ്രവേഗവും ഒരേ സമയം നിർണ്ണയിക്കുവാൻ പ്രയാസമാണു- ആ സിദ്ധാന്തം  ഹെയ്സൻബെർഗിന്റെ അനിശ്ചിതത്വ സിദ്ധാന്തം എന്നറിയപ്പെടുന്നു.  ആ അനിശ്ചിതത്വമാണു ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിന്റെ ഏറ്റവും മനോഹരവും, ചിന്തകളെ ചൂട് പിടിപ്പിക്കുന്നതുമായ വസ്തുത. അതായത് അറ്റോമികതലത്തിൽ ഏതൊക്കെ സ്ഥാനങ്ങളിലാണു കണികകൾ  വിന്യസിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നതെന്നു കണ്ടെത്തുവാൻ വളരെ വിഷമമാണു. അതുകൊണ്ട് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിൽ അവയെ കണ്ടെത്തുവാൻ സാദ്ധ്യതയുള്ള മേഖലകളാണു ശരിക്കും പഠിക്കപ്പെടുന്നത്. ഇങ്ങനെ അറ്റോമിക തലത്തിൽ വിന്യസിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന കണികകൾക്ക് ഊർജ്ജമുണ്ട്. അവയെക്കുറിച്ചെല്ലാം പ്രവചിക്കുവാൻ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് കൂട്ടുപിടിച്ചത് ഗണിതശാസ്ത്രത്തിനെയാണു. ചിലപ്പോഴൊക്കെ ഒരു മികച്ച ഗണിതഞ്ജനുമാത്രം നിർദ്ധാരണം ചെയ്യാവുന്ന രീതിയിൽ. അതാ‍യത്  ഒരു തരത്തിലുമുള്ള പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് അവിടെ സ്ഥാനം തീരെ ഇല്ലായിരുന്നു (അതിനുള്ള സാധ്യതകളും അന്ന് ഉണ്ടായിരുന്നില്ലായെന്നു വേണം പറയാൻ). എന്നാൽ ഗണിതശാസ്ത്രരീതിയിൽ, ചിന്താപരമായ പലതരം വാദങ്ങളിലൂടെ ചെയ്ത അത്തരം ഊർജ്ജരൂപങ്ങളുടെ മൂല്യങ്ങളും, കണികകളുടെ സ്വഭാവവും മറ്റും ശരിയായിരുന്നുവെന്നു പിന്നിട് പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ തെളിയിക്കപ്പെട്ടു. 

ചില സ്വയം നിലനിൽക്കുന്ന നിലപാടുകൾ 

എർവിൻ ഷ്രോഡിംഗർ രൂപപ്പെടുത്തിയെടുത്ത ഒരു സൂത്രവാക്യത്തിൽ നിന്നുമാണു മുൻപ് നമ്മൾ കണ്ട പ്രശ്നങ്ങളുടെ നിർദ്ധാരണങ്ങൾ നടന്നത്. ഇതിനെ ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സൂത്രവാക്യം (Schrodinger Wave Equation) എന്നു വിളിച്ചു. പരിഗണിക്കപ്പെടുന്ന അറ്റോമിക തലത്തിലുള്ള കണികയുടെ ഊർജ്ജം(Energy), വേവ് ഫങ്ഷൻ (Wave function) ( ഇത് തരംഗ രൂപമുള്ള ഒരു വസ്തുവിന്റെ സ്വഭാവം ആണു എന്നു വേണമെങ്കിൽ ലളിതമായി പറയാം) എന്നിവയാണു ഷ്രോഡിംഗരുടെ തരംഗ സൂത്രവാക്യമുപയോഗിച്ച് ലഭിച്ചിരുന്ന രണ്ട് കാര്യങ്ങൾ  എന്നാൽ ഷ്രോഡിംഗരുടെ തരംഗ സൂത്രവാക്യം ചെറിയ തരം പ്രശ്നങ്ങളെ പരിഹരിക്കുവാൻ മാത്രമേ ഉപകരിച്ചുള്ളൂ. ഉദാഹരണമായി ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ഒരു പെട്ടിയിൽ അകപ്പെട്ടുവെന്നിരിക്കട്ടെ. അതിന്റെ ഊർജ്ജമെത്ര? അതിനെ ആ പെട്ടിയിൽ എവിടെയൊക്കെ കണ്ടെത്താം? എന്നതൊക്കെ ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സൂത്രവാക്യമുപയോഗിച്ച് കണ്ടെത്താം. അതുപോലെതന്നെ  ഒരു ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റത്തിന്റെ ഊർജ്ജാ‍വസ്ഥയെന്താണെന്നും, രാസബന്ധനത്താൽ യോജിപ്പിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന ആറ്റങ്ങൾക്കിടയിൽ സംഭവിക്കുന്ന തരംഗങ്ങളുടെ ഊർജ്ജമെന്താണെന്നും, സ്വഭാവമെന്താണെന്നും മറ്റും നിർണ്ണയിക്കുന്നതിൽ ഷ്രോഡിംഗരുടെ തരംഗ സൂത്രവാക്യം വളരെയേറെ ഫലപ്രദമായിരുന്നുവെന്ന് വേണം പറയുവാൻ. ഇവയൊക്കെ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിലെ വളരെ ലളിതമായ പ്രശ്നങ്ങളായിട്ടാണു കണക്കാക്കിയിരിക്കുന്നത്. എന്നാൽ അത്തരം പ്രശ്നങ്ങൾ കുറച്ചുകൂടി സങ്കീർണ്ണമാവുമ്പോൾ കഥ മാറുന്നു. ഉദാഹരണത്തിനു ഒരു ഹീലിയം ആറ്റത്തിന്റെ ഊർജ്ജത്തിനെക്കുറിച്ച്, അതിന്റെ സ്വഭാവങ്ങളെക്കുറിച്ച് ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സൂത്രവാക്യമുപയോഗിച്ച് കണ്ടെത്തുവാൻ ശ്രമിക്കുമ്പോഴറിയാം അതിന്റെ ബുദ്ധിമുട്ടുകൾ. 

എന്നാൽ ഇതിനുള്ള പരിഹാരം 1920-കളിൽ തന്നെ രൂപപ്പെട്ടിരുന്നു.  ഡഗ്ലസ്സ് ഹാർട്രീ (Dougles Hartree) എന്ന ഇംഗ്ലീഷ് ഭൌതിക ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ആയിരുന്നു ഇതിന്റെ പിന്നിൽ. ഹാർട്രീ വികസിപ്പിച്ചെടുത്ത സ്വയം നിലനിൽക്കുന്ന  രീതി (Self Consistent Field Theory) ആയിരുന്നു ആ പരിഹാരം. ഹാർട്രീയുടെ ഈ രീതിക്കുള്ള ചില പ്രശ്നങ്ങൾ പിന്നീട് ഫോക്ക് (Fock) എന്ന ശാസ്ത്രഞ്ജൻ പരിഹരിക്കുകയും ആ സ്വയം രീതി പിന്നീട്  ഹാർട്രീ- ഫോക്ക് സ്വയം നിലനിൽക്കുന്ന  രീതി (Hartree-Fock Self Consistent Field Theory) എന്ന് അറിയപ്പെടുകയും ചെയ്തു. എന്താണു ഹാർട്രീ- ഫോക്ക് രീതി എന്നു നോക്കാം. അറ്റോമിക തലത്തിലുള്ള ഒരു വസ്തുവിന്റെ ഊർജ്ജം കണക്കാക്കുന്നതിനു ആദ്യം നമ്മൾ അതിന്റെ ഒരു സാങ്കല്പികാവസ്ഥ  സ്രഷ്ടിക്കുന്നു.  അത്തരം  സാങ്കല്പികാവസ്ഥ  ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി വിശദീകരിക്കുന്നത് വേവ് ഫങ്ഷനിലൂടെയാണു. അതായതു ഒരു സാങ്കല്പിക വേവ് ഫങ്ഷൻ ആ‍ദ്യം നമ്മൾ ഉണ്ടാക്കുന്നു. ഈ വേവ് ഫങ്ഷനെ ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സൂത്രവാക്യത്തിലേയ്ക്കു ഇട്ട് കൊടുക്കുന്നു. അതിനെ നിർദ്ധാരണം ചെയ്യുന്നു.ഇതൊരു ആവർത്തന പ്രക്രിയ ആണു. ഏകദേശം ക്ര്യത്യമായ ഒരു ഊർജ്ജനില കണ്ടെത്തുന്നതുവരെ ഇതു തുടർന്ന് കൊണ്ടിരിക്കും. 

പോപ്പിളും കഥയിലെ മറ്റുള്ളവരും 

താരതമ്യേന സങ്കീർണ്ണത കുറഞ്ഞ പ്രശ്നങ്ങൾ മാത്രമാണെങ്കിൽ അതിനെ പരിഹരിക്കുന്നതിനു ഹാർട്രീ- ഫോക്ക് സ്വയം നിലനിൽക്കുന്ന രീതിയുപയോഗിച്ച് സാധാരണ ഗണിതനിർദ്ധാരണം ചെയ്യുന്ന രീതിയിൽ കടലാസിൽ ചെയ്യാവുന്നതേയുള്ളൂ.  എന്നാൽ നമുക്ക് വിശകലനം ചെയ്യേണ്ട ആറ്റവും,തന്മാത്രയും കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമാവുമ്പോൾ (മുൻപ് സൂചിപ്പിച്ച ഹീലിയം ആറ്റത്തേക്കാൾ ), അല്ലെങ്കിൽ നമുക്ക് കണ്ടെത്തേണ്ട വസ്തുതകൾ സങ്കീർണ്ണമാവുമ്പോൾ ഇത്തരത്തിൽ ഹാർട്രീ- ഫോക്ക് നിർദ്ധാരണം നടത്തുക പ്രായോഗികമല്ല. ഇവിടെയാണു രസതന്ത്രത്തിൽ കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ റോൾ. കുറച്ചുകൂടി വ്യക്തമാക്കാം. കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ഉപയോഗിച്ച് കെമിക്കൽ പ്രശ്നങ്ങൾ പരിഹരിക്കുകയെന്നതാണു കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രത്തിൽ ചെയ്യുന്നത്. ഏതൊക്കെ കെമിക്കൽ പ്രശ്നങ്ങളാണു പരിഹരിക്കുക? തന്മാത്രകളുടെയുള്ളിലെ രാസബന്ധനത്തിന്റെ നീളം, അതിന്റെ കോണുകൾ,രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ ഏർപ്പെടുമ്പോൾ സ്ര്യഷ്ട്ടിക്കപ്പെടുന്ന ഇന്റർമീഡിയറ്റുകളുടെ ഊർജ്ജാവസ്ഥകൾ,ഒരു രാസപ്രവർത്തനം നടക്കുമോ ഇല്ലയോ എന്നതിന്റെ സാദ്ധ്യതകൾ, ഒരു തന്മാത്രയിലെ ആറ്റങ്ങളുടെ ചാർജ്ജുകൾ, സ്പെക്റ്റ്ട്രോസ്കോപിക് രീതിയിൽ കണ്ടെത്തപ്പെടേണ്ട അതിന്റെ സ്വഭാവങ്ങൾ എന്നുവേണ്ടാ രസതന്ത്രത്തിന്റെ സകലരൂപങ്ങളിലും കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രം പ്രശ്നപരിഹാരത്തിനുപയോഗിക്കാം. അതിനായി ചില പ്രത്യേകതരം അൽഗോരിതങ്ങളാണു സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കാറ്.

ഇത്തരം അൽഗോരിതങ്ങളെക്കുറിച്ച് പറയുന്നതിനുമുൻപ് മറ്റൊരാളെ ഇവിടെ പരിചയപ്പെടേണ്ടതുണ്ട്. ജോൺ അന്തോണി പോപ്പിൾ (John Anthony Pople) എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനെ. യഥാർത്ഥത്തിൽ കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രത്തിന്റെ തലതൊട്ടപ്പന്മാരിൽ ഒരാൾ എന്ന് അദ്ദേഹത്തിനെ വിശേഷിപ്പിക്കാം. നേരത്തെ നമ്മൾ കണ്ട ഹാർട്രീ- ഫോക്ക് നിർദ്ധാരണ രീതിയിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന വേവ് ഫങ്ഷനിലാണു പോപ്പിളിന്റെ മാജിക്. അത്തരം വേവ് ഫങ്ഷനുകൾ നിർമ്മിക്കാനുള്ള പുതിയൊരുതരം രീതി കണ്ട്പിടിച്ചതാണു കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രത്തിൽ വഴിത്തിരിവായത്. അദ്ദേഹം നിർമ്മിച്ച അത്തരം  വേവ് ഫങ്ഷനുകളെ പോപ്പിൾ ബേസിസ് സെറ്റുകൾ (Pople Basis Sets) എന്ന് വിളിച്ചു. അതോടൊപ്പം മറ്റൊരുതരം വേവ് ഫങ്ഷനുകളെ കോൻ (Kohn) എന്ന ശാസ്ത്രഞ്ജനും രൂപപ്പെടുത്തി. ഇത്തരം ബേസിസ് സെറ്റുകളുടെ നിർദ്ധാരണം നടത്തുവാൻ വളരെയേറെ നീണ്ട കണക്കുകൂട്ടലുകൾ ആവശ്യമാണു. അതിനു കമ്പ്യൂട്ടറുകളും അതിൽ ഇവയെ ക്ര്യത്യമായി ഉപയോഗിക്കുവാൻ അൽഗോരിതങ്ങളും ആവശ്യമായി വന്നു (പോപ്പിളിന്റെയും, കോനിന്റെയും ഈ കണ്ട്പിടിത്തങ്ങൾക്ക് അവർക്ക് 1998-ൽ നോബെൽ സമ്മാനം ലഭിക്കുകയുണ്ടായി). ഇന്ന് ഇത്തരം ഗണിതക്രീയകൾ ചെയ്യുവാൻ പലതരം പ്രോഗ്രാമുകൾ വിപണിയിൽ ലഭ്യമാണു. പോപ്പിൾ ആവിഷ്കരിച്ച ഗോസ്സിയാൻ (Gaussian) മുതൽ പലതും (മറ്റ് പ്രോഗ്രാമുകൾ-  ക്യൂ കെം (Q-Chem), ഗാമെസ്സ് (Gamess), ഫയർഫ്ലീ (Firefly), സ്പാർട്ടാൻ (Spartan), ഹൈപ്പർ കെം (Hyper Chem) മുതലായവ). 

എന്നാൽ കഥയിലെ മറ്റുള്ളവർ ഇവരല്ലാ.  പുതുതായി മുന്നോട്ട് വന്ന മൂന്ന് തരം ആൾക്കാരാണു. അവരാണു സിദ്ധാന്തവാദികൾ (Theory)  ,രൂപനിർമ്മിതിക്കാർ (Modelling), കമ്പ്യൂട്ടർ വിദഗ്ധന്മാർ (Computation). സിദ്ധാന്തവാദികളാണു ഏതൊരു സിദ്ധാന്തവും രൂപപ്പെടുത്തുന്നത്. വിവിധങ്ങളായ ചിന്തകളിലൂടെയും, വാദപ്രതിവാദങ്ങളിലൂടെയും ആണു അവർ ഇത്തരം ആശയങ്ങളിൽ എത്തുന്നത്. അതൊക്കെയും ഗഹനങ്ങളായ ആശയങ്ങളായിരിക്കും. അത്തരം ആശയങ്ങളെ അവർ അവതരിപ്പിക്കുന്നത് അതിലും കുഴപ്പിക്കുന്ന എഴുത്തുകളിലൂടെയും ആയിരിക്കും. ഉദാഹരണമായി E=mc2 എന്ന പ്രശസ്തമായ സമവാക്യം തന്നെയെടുക്കാം. ശാസ്ത്ര സമൂഹത്തിൽ വളരെയേറെ വാദപ്രതിവാദങ്ങൾ നടന്ന ഒരു  സമവാക്യമായിരുന്നൂ ഇത്. സ്പെഷ്യൽ റിലേറ്റിവിറ്റി (Special Relativity) സിദ്ധാന്തമനുസരിച്ച് കാലവും, സ്ഥലവും തമ്മിൽ സൂചിപ്പിക്കുവാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു നിയമമാണു ഐൻസ്റ്റീന്റെ മാസ്സ്-എനർജി ബന്ധം (Mass-Energy Relationship). ഐൻസ്റ്റീൻ അവതരിപ്പിച്ച ഈ  സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ യഥാർതഥതലം മനസ്സിലാക്കുവാൻ വളരെ പ്രയാസമാണു. എന്നാൽ  രൂപനിർമ്മിതിക്കാർ ഇത്തരം കുഴപ്പിക്കുന്ന ആശയങ്ങളെ തീരെ നിഷേധിക്കുന്നു. അതുകൊണ്ടുതന്നെ സിദ്ധാന്തവാദികളും, രൂപനിർമ്മിതിക്കാരും തമ്മിൽ എപ്പോഴും വാഗ്വാദത്തിലാണു. രൂപനിർമ്മിതിക്കാർ ശാസ്ത്രത്തിലെ ഗഹനങ്ങളായ ആശയങ്ങളെ അതിന്റെ പ്രധാനവസ്തുതകൾ ഒട്ടും നഷ്ട്ടപ്പെടുത്താതെ ലളിതമാക്കി അവതരിപ്പിക്കുകയാണു ചെയ്യുന്നതു. കമ്പ്യൂട്ടർ വിദഗ്ധന്മാരാകട്ടെ, രൂപനിർമ്മിതിക്കാർ ഉണ്ടാക്കിയെടുത്ത കാര്യങ്ങളെ ഉപയോഗിച്ച് അൽഗോരിതങ്ങൾ മെനയുകയും, രസതന്ത്രപ്രശ്നങ്ങൾ പരിഹരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ചുരുക്കിപ്പറഞ്ഞാൽ, ആധുനിക രസതന്ത്രജ്ഞന്മാർക്ക് ഒരേ സമയം തന്നെ ഒരു സിദ്ധാന്തവാദിയും, രൂപനിർമ്മിതിക്കാരനും, കമ്പ്യൂട്ടർ വിദഗധനും ആയേ മതിയാവൂ. അതായത് ഒരു സിദ്ധാന്തം ഉണ്ടാക്കിയെടുത്ത്, അതിന്റെ അരികുകളും,മൂലകളും ചീന്തിക്കളഞ്ഞ്, ഒരു അൽഗോരിതം നിർമ്മിച്ച് ആവശ്യപ്പെടുന്ന തന്മാത്രസ്ഥിതിവിശേഷങ്ങളെ നിർദ്ധാരണം ചെയ്ത് കണ്ടെത്തിയെടുക്കുകയെന്നതാണു ആധുനിക രസതന്ത്രജ്ഞന്മാരുടെ വെല്ലുവിളി. 

തന്മാത്രസ്ഥിതിവിശേഷങ്ങളെ നിർദ്ധാരണം ചെയ്ത് കണ്ടെത്തിയെടുക്കുവാൻ പ്രധാനമായും നാലു രീതികളാണുള്ളതു- (1) അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതി (Ab-Initio Method) (2) സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതി (Semi Empirical Method) (3) ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷനൽ സിദ്ധാന്തം (Density Functional Theory) (4) മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് (Molecular Mechanics). നേരത്തെ നമ്മൾ കണ്ട ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സമവാക്യത്തിന്റെ ഉപയോഗം നിർവ്വഹിക്കുന്ന അൽഗോരിതങ്ങളാണു അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയിൽ ഉള്ളത്. ഏകദേശം 100 ആറ്റങ്ങൾ വരെയുള്ള പദാർതഥങ്ങളുടെ ഊർജ്ജാവസ്ഥകൾ ഉൾപ്പെടെയുള്ള ഗണിതക്രീയകൾ ചെയ്യുവാൻ അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതി ഉപയോഗിക്കാം. എന്നാൽ, സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതിയിൽ ശരിക്കും ഉപയോഗിക്കുന്നത് ഷ്രോഡിംഗർ തരംഗ സമവാക്യവും, പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ലഭിക്കുന്ന വസ്തുതകളുമാണു. അതായത്, സിദ്ധാന്തവും,പരീക്ഷണവും ഇടകലർത്തിയുള്ള രീതിയാണു സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതി അവലംബിക്കുന്നതു.അതാകട്ടെ, 1000 ആറ്റങ്ങൾ വരെയുള്ള പദാർതഥങ്ങളുടെ ഊർജ്ജാവസ്ഥകൾ ഉൾപ്പെടെയുള്ള ഗണിതക്രീയകൾ ചെയ്യുവാൻ ഉപയോഗിക്കാം. അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയിലും, സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതിയിലും വേവ് ഫങ്ഷനുകളുടെ ഉപയോഗത്തിലൂടെയുള്ള നിർദ്ധാരണം ആണു നടത്തുന്നെതെങ്കിൽ, ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷനൽ സിദ്ധാന്തം ഉപയോഗിക്കുന്നത്, ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രതയുടെ നിർദ്ധാരണമാണു. മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് ആകട്ടെ മറ്റൊരു രീതിയിലാണു ഗണിതക്രീയകൾ നടത്തുന്നത്. അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയും, സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതിയും, ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷനൽ സിദ്ധാന്തവും, എണ്ണത്തിൽ ആറ്റങ്ങൾ കുറവുള്ള പദാർതഥങ്ങളുടെ വിശകലനം ചെയ്യുന്നതെങ്കിൽ, മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നത് കുറച്ചുകൂടി വലിയ പദാർതഥങ്ങളുടെ. ഏകദേശം 1,00,000 ആറ്റങ്ങൾ വരെയുള്ള വസ്തുക്കളെയാണു അത് നിർദ്ധാരണം ചെയ്യുവാൻ ശ്രമിക്കുന്നതു. കുറച്ചുകൂടി വിശദമാക്കാം. സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതി പ്രവർത്തിക്കുന്നതു പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ കണ്ടെത്തിയ വസ്തുതകളെ കൂടി ഉപയോഗിച്ചാണു. എന്നാൽ അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയാകട്ടെ, ഊർജ്ജാവസ്ഥകളും, മറ്റും കണ്ടെത്തുന്നത് പരീക്ഷണഫലങ്ങളെ യാതൊരു വിധത്തിലും ആശ്രയിക്കാതെയാണു. സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതിയും അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയും പ്രവർത്തിക്കുന്നതു നേരത്തെ നമ്മൾ കണ്ട വേവ് ഫങ്ങഷനുകളെ നിർദ്ധാരണം ചെയ്തുകൊണ്ടാണു. എന്നാൽ ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷനൽ സിദ്ധാന്തം  ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രതയെ നിർദ്ധാരണം ചെയ്തുകൊണ്ടാണു പ്രവർത്തിക്കുന്നതു. മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് രീതി ഒരു ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്കൽ രീതിയിലൂടെയല്ലാ പ്രവർത്തികുന്നത്. അത് കൊണ്ട് തന്നെ വേവ് ഫങ്ങഷനുകൾ ഈ രീതിയിൽ ഉപയോഗിക്കാറില്ലാ. അതിനുപകരം, ഒരു തന്മാത്രയെ പരസ്പരബന്ധിതമായ  ആറ്റങ്ങളുടെ ഒരു കൂട്ടമായി കാണുകയും, അതിന്റെ ഊർജ്ജമടക്കമുള്ള വസ്തുതകളെ രാസബന്ധനങ്ങളുടെ (Chemical Bonds) ചലനങ്ങൾ കൊണ്ട് ഉണ്ടാകുന്ന സ്ഥിരാങ്കങ്ങൾ (Force Constants) വഴി കണ്ടെത്തുകയാണു മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് രീതിയിൽ ചെയ്യുന്നത്. അതായത്, നിങ്ങൾക്കൊരു DNAയുടെയോ, പ്രോട്ടീനിന്റെയോ ഘടനാപരമായ ഗണിതക്രീയയാണു ചെയ്യേണ്ടതെങ്കിൽ മോളിക്യൂലാർ മെക്കാനിക്സ് രീതി അവലംബിക്കാം. എന്നാൽ അതിന്റെ രാസപരമായി ക്രിയാത്മകമായ (Chemically active) ഭാഗം പഠിക്കുന്നതിനു അബ്-ഇനീഷ്യോ രീതിയോ, സെമി-എമ്പിരിക്കൽ രീതിയോ, ഡെൻസിറ്റി ഫങ്ഷനൽ സിദ്ധാന്തമോ ആണ് ഉപയോഗിക്കേണ്ടത്. 

ചില ഭാവിചിന്തകൾ

എന്താണു കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രത്തിന്റെ ഭാവി? ഒഴിവാക്കാനാവാത്ത വിധത്തിൽ രസതന്ത്രത്തിൽ കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രം വളർന്നുകഴിഞ്ഞു. അതിന്റെ ഉപയോഗക്രമങ്ങളും, സാധ്യതകളും രസതന്ത്രത്തിന്റെ, പ്രത്യേകിച്ചും സൈദ്ധാന്തിക രസതന്ത്രത്തിന്റെ മേഖലയിൽ ഗവേഷണം നടത്തുന്നവർ തിരിച്ചറിഞ്ഞിട്ട് കാലം കുറെയായെങ്കിലും, ഈയടുത്തകാലം വരെ മറ്റ് അടിസ്ഥാനരസതന്ത്ര ഗവേഷണമേഖലകളിൽ അതിന്റെ സാധ്യതകൾ അത്ര വളർച്ച പ്രാപിച്ചിരുന്നില്ല. അതുകൊണ്ടുതന്നെ, നമ്മുടെ  സർവ്വകലാശാലാ പാഠ്യപദ്ധതിയിൽ കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രം കടന്നുകൂടിയത് വളരെയടുത്തകാലത്താണു. മുൻപ് സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ ഒരോ രാസപ്രവർത്തനത്തിന്റെയും ഗതിവിഗതികളെ ക്ര്യത്യമായി പ്രവചിക്കുവാൻ സാധിക്കുമെന്നതാണു ഇതിനെ രസതന്ത്രജ്ഞന്മാരുടെ ഇഷ്ടപ്പെട്ട ഉപകരണമാക്കി മാറ്റുന്നത്. ആധുനിക ഔഷധഗവേഷണമേഖലകളും അതിനോട് ബന്ധപ്പെട്ട വ്യവസായങ്ങളിലും ഇതിന്റെ ഉപയോഗം വളരെ വ്യാപകമാണു. പുതിയ തരം മരുന്നുകൾ രൂപകല്പന ചെയ്യുന്നതോടൊപ്പം തന്നെ അതിന്റെ പ്രവർത്തനങ്ങളെ കമ്പ്യൂട്ടർ മോഡലിംഗ് ഉപയോഗിച്ച്  മനസ്സിലാക്കുവാനും സാധിക്കുമെന്നതാണു ഇതിന്റെ പ്രത്യേകത. പ്രധാനമായും ഈ മേഖല വരുത്തുന്ന മാറ്റം രസതന്ത്രപരീക്ഷണശാലകളുടെ സ്വഭാവവും, രൂപവും മാറ്റിമറിക്കുമെന്നതാണു. ചെയ്തുനോക്കി വിജയപരാജയങ്ങളിലേത്തുന്നതിനേക്കാൾ നല്ലതാണല്ലോ ഏത് തരം രാസപ്രവർത്തനമാണു നടക്കാൻ സാധ്യത എന്നു മുൻ കൂട്ടി മനസ്സിലാക്കി അതിനനുസരിചു രാസപ്രവർത്തനങ്ങളുടെ സൂചകങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കുന്നതും അങ്ങനെ വിജയത്തിലെത്തുന്നതും. അതായതു വളരെയേറെ പ്രയാസമേറിയ, വൈദഗ്ധ്യം ആവശ്യമുള്ള പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ചെയ്യേണ്ടിയിരുന്ന കാര്യങ്ങൾ ഉദ്ദേശിക്കുന്ന രീതിയിൽ തന്നെ നടക്കുമോ ഇല്ലയോ എന്ന് മനസ്സിലാക്കുവാൻ ആധുനിക ഗവേഷകസമൂഹത്തിനു നിമിഷനേരങ്ങൾ മതിയാവും. മറ്റൊരുതരത്തിലും ഇതിന്റെ ഉപയോഗക്രമങ്ങൾ ഉണ്ട്. എതെങ്കിലുമൊരു സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പിക് സാങ്കേതികത്വത്തിന്റെയൊ മറ്റോ സഹായത്തോടെ ഒരു ഓർഗാനിക് അല്ലെങ്കിൽ ഇനൊർഗാനിക് സംയുക്തത്തെ തിരിച്ചറിയാനാവും. അതിന്റെ ഗുണവിശേഷങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കാനാവും. കമ്പ്യൂട്ടേഷനൽ രസതന്ത്രമുപയോഗിച്ച് നിങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയ  സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പിക് തെളിവുകൾ ക്ര്യത്യമാണോ അല്ലയോ എന്ന് മനസ്സിലാക്കുവാൻ സാധിക്കും. കൂടാതെ നാനോഗവേഷണ മേഖലകളിലും, പോളിമർ ഗവേഷണമേഖലകളിലും മറ്റും ഇതിന്റെ സാദ്ധ്യതകൾ അപാരമാണു.  എന്നാലിത്തരം സോഫ്റ്റ് വെയറുകൾ ചെറിയ ചത്വരത്തിനുള്ളിൽ ഒതുങ്ങുന്ന ആപ്സ് (Apps) ആണെന്ന് ഒരിക്കലും തെറ്റിദ്ധരിക്കരുത്. വളരെയേറെ റാം മെമ്മറിയുള്ള, കാര്യനിർവ്വഹണശേഷി വളരെ മികച്ചതായ ഒരു കമ്പ്യൂട്ടർ/ഒന്നിലധികം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ഉപയോഗിച്ച് മാത്രമേ ഇത്തരം പ്രശ്നനിർദ്ധാരണങ്ങൾ സാധിക്കുകയുള്ളൂ. 

പഴയ രസതന്ത്രപുസ്തകങ്ങളിൽ, രസതന്ത്രജ്ഞന്മാരെക്കുറിച്ചുള്ള വിവരണങ്ങൾ ശ്രദ്ധിച്ചുവായിച്ച്നോക്കിയിട്ട്, ചിത്രം ശ്രദ്ധിച്ചാ‍ൽ കാണാം തിരിച്ചറിയാൻ സാധിക്കാത്ത രസക്കൂട്ടുകൾക്കിടയിൽ നിൽക്കുന്ന അദ്ദേഹത്തെ. എന്നാൽ ആധുനിക രസതന്ത്രത്തിന്റെ ചരിത്രം വായിക്കുന്ന ഭാവിയിലെ ഒരു കുട്ടിയെപ്പറ്റി ഒന്ന് ചിന്തിച്ച് നോക്കൂ. ഒരു കമ്പ്യൂട്ടറിന്റെ മുൻപിൽ ഏതെങ്കിലുമൊരു രസതന്ത്രപ്രശ്നം നിർദ്ധാരണം ചെയ്യുന്ന ഒരു രസതന്ത്രജ്ഞന്റെ ചിത്രമാകും ആ കുട്ടി കാണുകയെന്നത് തീർച്ചയാണു. അപ്പോൾ ഭാവിയിലെ രസതന്ത്രപരീക്ഷണശാലകൾ എങ്ങനെയായിരിക്കുമെന്ന് ഇനി നിങ്ങളൊന്ന് ചിന്തിച്ച് നോക്കൂ. രാസലായനികളില്ലാത്ത, തീയും പുകയും ഇല്ലാത്ത, ഡിസ്റ്റിലേഷൻ അപ്പാരറ്റസുകളില്ലാത്ത, എക്സോസ്റ്റ് ഫാനുകൾ ഇല്ലാത്ത രസതന്ത്രപരീക്ഷണശാലകൾ! പകരം അൽഗോരിതങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുവാനും, അവയുപയോഗിച്ച് പലതരം രസതന്ത്രപ്രശ്നങ്ങൾ നിർദ്ധാരണം ചെയ്യുവാൻ സഹായിച്ചുകൊണ്ട് നിരവധി കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ. അതെ, വലിയൊരു മാറ്റത്തിനു തയ്യാറായിക്കൊള്ളൂ. രസതന്ത്രത്തിന്റെ ഏറ്റവും സുപ്രധാനമായ യുഗത്തിലേക്കുള്ള വാതായനങ്ങൾ തുറന്നുകഴിഞ്ഞു. 

References

1. I.N.Levine ‘Quantum Chemistry,5th Edn., Prentice Hall India,2000

2. D.A.McQuarrie and J.D.Simon, ‘Physical Chemistry- A Molecular Approach’, Viva Books, 2008

3. F.Jenson,’Introduction to Computational Chemistry’ Wiley &sons, 2001

4. C.J.Cramer ‘Essentials of Computational Chemistry; Theories and Models’, Wiley &Sons, 2002

5.  E. Lewars ‘Computational Chemistry; Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics’ Kluwer Acdemic Publishers, 2004